濟南南部山區幾種水源涵養林土壤水文特性和酶活性研究

張劉東 郭建曜 厲鋒 張義群 白樹偉 朱葛 劉海燕 布鳳琴

摘要：為提升濟南南部山區水源涵養林的保水功能，以側柏林、黑松林、刺槐林和荊條林為對象，分析其土壤水文特性和酶活性。結果表明：1）側柏林、黑松林、刺槐林的毛管孔隙度、總孔隙度、孔隙比、毛管持水量、飽和貯水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量整體高于荊條林，而土壤容重、非毛管孔隙度、非毛管持水量整體低于荊條林。其中側柏林的毛管孔隙度、總孔隙度、孔隙比、毛管持水量、飽和貯水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量增幅最大，分別為荊條林的1.87、1.43、2.14、2.62、1.43、1.56、2.50倍。2）側柏林、刺槐林的脲酶、多酚氧化酶活性顯著高于荊條林（P<0.05）。3）土壤容重和土壤脲酶、多酚氧化酶極顯著負相關（P<0.01）;毛管持水量、飽和貯水量、有效涵蓄量和脲酶、多酚氧化酶極顯著正相關（P<0.01）。綜上所述，側柏林在提高有效水利用、涵蓄降雨量、有效水分貯存、酶活性等方面均好于黑松林、刺槐林和荊條林。濟南南部山區的水源涵養林營建中應盡量優先考慮營造側柏林。

關鍵詞：水源涵養林;土壤水文;土壤酶活性;濟南南部山區

中圖法分類號：S791 ? ? ? ? ? ? 文獻標示碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：

Abstract： Taking the Platycladus orientalis， Pinus thunbergii and Robinia pseudoacacia plantations， and Vitex negundo forest as research subject， ?the soil hydrological characteristics and enzyme activitiesof the water conservation forests were analyzed to improve the water conservation effects in the southern mountainous areas of Jinan. The results showed that： 1） the capillary porosity， total porosity， porosity ratio， capillary water holding capacity， capillary saturated water holding capacity， saturated water holding capacity， precipitation holding capacity and effective water holding capacity of the forest were all higher than those of the V. negundo forest， while the soil bulk density， non-capillary porosity and non-capillary water holding capacity were all lower than those of the V. negundo forest.. Among them， The increase of capillary porosity， total porosity， capillary water holding capacity， saturated water storage capacity， storage precipitation and effective water storage capacity of P. orientalis plantations was the largest， which were 1.87， 1.43， 2.14， 2.62， 1.43， 1.56 and 2.50 times of that of V. negundo forest， respectively. 2） The activities of urease and polyphenol oxidase in P. orientalis and R. pseudoacacia plantation were significantly higher than those in V. negundo forest （P<0.05）. 3） Soil bulk density is extremely negatively correlated with soil urease and polyphenol oxidase （P<0.05）. The capillary water capacity， capillary saturated water holding capacity and effective water storage were positively correlated with urease and polyphenol oxidase （P<0.01）. In short， P. orientalis plantation was better than P. thunbergii， R. pseudoacacia and V. negundo of plant effective water use， storage precipitation， effective water storage and improvement of enzyme activity. In the construction of water conservation forest in the southern mountainous area of Jinan， priority should be given to the afforestation of the P. orientalis as far as possible.

Key words： water conservation forest; soil hydrological characteristics; soil enzyme activity; mountain area of southern Ji'nan

濟南素有“泉城”雅號其南部山區是泉水的補給區，也是水源涵養區[1]。近年來隨著人口快速增長，基礎設施擴建，生態環境受到一定的破壞，水源涵蓄能力隨之降低。所以改善南部山區生態環境，提高水源涵養能力對泉水保護具有重要意義[2]。

森林生長環境和發育狀況直接影響水源涵養能力，保泉蓄水效果[3-4]。研究表明土壤水分是水循環、生態系統的重要組成部分[5]。土壤容重和孔隙度影響土壤持水和礦質元素的溶解和植物根系扎根和吸水，進而影響土壤肥力狀況和植物生長發育[6-8]。土壤酶影響有機質分解和氮、磷的活性[9-10]，具有特殊的催化能力，可以直接或間接地反映土壤肥力和土壤健康程度[11-12]。

目前對濟南水源涵養林的研究大多集中在林分涵養水源的建設和功能方面[13-14]，對于濟南南部山區水源涵養林的土壤水文特性和酶活性的研究較少。因此，本文通過對濟南南部山區幾種主要水源涵養林的調查，分析它們對土壤水文特性和土壤酶活性的改善能力，為南部山區水源涵養林的營建以及可持續經營提供理論根據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

濟南南部山區位于魯中南山地北側（36°21′-36°40′N，116°54′-117°17′E），海拔300-900 m，暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫10-14 ℃，年均降水量650-850 mm，大部分降水集中在6-9月，多暴雨，無霜期218 d。棕壤或褐土，平均厚度35 cm左右，pH為7.10-8.15，富鈣、易漏水。

1.2 試驗方法

以上世紀80年代營造的刺槐（Robinia pseudoacacia）、側柏（Platycladus orientalis）、黑松（Pinus thunbergii）水源涵養林為研究對象，荊條（Vitex negundo）林為對照，林分基本概況見表1。每個林分類型選取1個標準地（30 m×30 m），按“S”型設置土壤樣點，采用四分法分別取0-20 cm土壤樣品，部分用于土壤酶活性測定[15]。土壤容重、孔隙度等采用環刀法測定，土壤含水量采用鋁盒法測定，3次重復，計算持水量、貯水量等各項物理指標和持水性能指標。土壤涵蓄降水量是飽和貯水量與土壤前期含水量之差，土壤有效涵蓄降水量是毛管貯水量與土壤前期含水量之差[16-17]。

Wc = 1000 × Pc × h

Wt = 1000 × Pt × h

式中：Wc、Wt分別為土壤水分毛管貯水量和飽和貯水量（mm）;Pc、Pt分別為毛管孔隙度和總孔隙度（%）;h為計算土層深度（m），本研究取值0.20m。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0軟件進行數據統計分析，差異顯著性檢驗采用單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 水源涵養林土壤水文物理特性

土壤容重作為土壤最基本的物理性質之一，對土壤通氣性、滲透性和持水性等有著重要的指示作用。如表2所示，荊條林土壤容重最大，營造水源涵養林后顯著降低（P<0.05），其中刺槐林最小（僅為荊條林的60.58%），但與側柏林和黑松林差異不顯著（P>0.05）。土壤孔隙是直接反映土壤蓄水和調水能力的指標。如表2可知，非毛管孔隙度與土壤容重變化趨勢相同，而土壤毛管孔隙度和總孔隙度則與土壤容重變化呈相反規律。側柏林土壤毛管孔隙度和總孔隙度均顯著高于其他林分（P<0.05），分別為荊條林的1.87和1.43倍;對于非毛管孔隙度而言，刺槐林最低，僅為荊條林的31.46%。

2.2 水源涵養林的土壤貯水性能

土壤的保水和供水能力主要體現在土壤對水分的調控能力，具體表現在毛管持水量、飽和貯水量等指標。如表3所示，側柏林的毛管持水量、飽和貯水量、涵蓄降水量和有效涵蓄量均顯著高于其他林分（P<0.05），分別是荊條林的2.62、1.43、1.56和2.50倍;而非毛管持水量變化趨勢與其他指標相反，荊條林最高，達到7.812 t/hm2，刺槐林最低，僅為前者的51.86%。可見，側柏林在持水特性能力上優于其他林分。

2.3 水源涵養林的土壤酶活性

土壤酶是一種對土壤理化性質敏感的活性物質。如表4所示，側柏林的土壤脲酶、多酚氧化酶活性均顯著高于其他林分（P<0.05），側柏林、黑松林的過氧化氫酶活性均顯著小于荊條林（P<0.05）。其中側柏林土壤的脲酶、多酚氧化酶活性分別是荊條林的1.47倍、2.05倍;黑松林的過氧化氫酶活性最低，是荊條林的34.41%。

2.4 土壤水文特征和酶活性的相關性分析

由表5可知，土壤容重和脲酶、多酚氧化酶極顯著負相關（P<0.01），非毛管孔隙度和脲酶、多酚氧化酶顯著負相關（P<0.05），而毛管持水量、有效涵蓄量和脲酶、多酚氧化酶極顯著正相關（P<0.01），毛管孔隙度和脲酶呈顯著正相關，而與多酚氧化酶呈極顯著正相關（P<0.05），總孔隙度、孔隙比、涵蓄降水量和過氧化氫酶呈顯著負相關（P<0.01）。土壤持水特性會影響土壤酶的活性，當土壤容重、非毛管孔隙度增大，脲酶和多酚氧化酶的活性降低;當毛管孔隙度、毛管持水量、有效涵蓄量增大，脲酶和多酚氧化酶的活性增強;當總孔隙度、孔隙比、飽和貯水量、涵蓄降水量增大，過氧化氫酶的活性降低。

3 討論

土壤容重和孔隙度的物理特性代表森林土壤涵養的能力，土壤容重越小，孔隙度越大，說明土壤狀況利于水分保持與滲透[18-19];土壤孔隙影響著土壤保水通氣能力和根系穿插的難易程度，對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等具有不同的調節功能[20-21]，毛管孔隙度和非毛管孔隙度反映森林植被吸持水分和滯留水分的能力，對土壤持水和通氣性具有重要作用[22]。由表2可知，與荊條林相比，南部山區水源涵養林土壤容重和非毛管孔隙度降低，毛管孔隙度、總孔隙度、孔隙比等指標增大。其中側柏林土壤容重和非毛管孔隙度降低幅度最大，比荊條林分別降低39.42%和68.54%，側柏林的毛管孔隙度、總孔隙度、孔隙比提升幅度較大，比荊條林分別增加87.08%、43.38%、114%。說明側柏林土壤改良效果相對較好，其透水性、通氣性和持水能力都得提高，黑松林次之，刺槐林最差。

毛管持水量反映植物吸持水分和供自身正常生理活動所需的有效水分以及有機質含量、土壤的質地和結構等。非毛管持水量的大小反映森林涵養水源功能的強弱[23-25]。土壤飽和貯水量影響土壤調節和貯蓄水分能力，影響土壤水源涵養的能力[17]。本研究中側柏林地的毛管持水量、飽和貯水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量表現為最大，分別是荊條林的2.26、1.43、1.56、2.50倍。

土壤酶可催化土壤中的有機物質，使其轉化成為簡單的有機物或無機物，主要來源于微生物，在評價土壤肥力、環境監測等方面有重要作用[26-27]。脲酶可以限制植物化肥和自然氮素的利用;多酚氧化酶是增加土壤有機肥料的重要酶類;過氧化氫酶活性的高底往往反映有害物質的多少[28]。本研究中，側柏林土壤脲酶、多酚氧化酶活性最大，分別荊條林的1.47倍、2.05倍。側柏林和黑松的過氧化氫酶活性遠小于荊條林，而刺槐林與之大體相當。水源涵養林脲酶活性和多酚氧化酶活性明顯提高，過氧化氫酶活性受到抑制，且各林地的脲酶和多酚氧化酶活性的表現為側柏林>刺槐林>黑松林>荊條林。

相關性分析結果表明，土壤水文指數在很大程度上影響酶的活性，當土壤毛管持水量升高時，土壤脲酶、多酚氧化酶的活性也響應的提高;當土壤容重和非毛管孔隙度大時，土壤脲酶、多酚氧化酶的活性相應的降低;土壤總孔隙度、孔隙比、飽和貯水量、涵蓄降水量升高，土壤過氧化氫酶活性都降低。對于不同樹種對土壤的改良作用，需要進一步確定林地水文參數、土壤貯水指標和土壤酶活性的相關性分析，土壤養分和微生物多樣性等方面有待進一步研究。

4 結論

在濟南南部山區的環境建設中，減少地表徑流、涵養水源、保持水土、提高土壤酶活性等具有重要的意義。與荊條林相比，水源涵養林的毛管持水量、飽和貯水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量等貯水指標均有較大的提升，而非毛管孔隙度則有降低的趨勢。同樣，喬木林脲酶活性和多酚氧化酶活性明顯提高，過氧化氫酶活性受到抑制，且各林地的脲酶和多酚氧化酶活性的表現趨勢相同，均為側柏林>刺槐林>黑松林>荊條林。表明南部山區的喬木林顯著改善土壤調節和貯水能力，提高了土壤的氮素和有機肥料，降低了有害物質的含量，其中側柏林在水分調節、土壤營養方面均優于黑松林和刺槐林。在今后水源涵養林營建中應盡量優先考慮營造側柏林。

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